Linux是一種開(kāi)源電腦操作系統(tǒng)內(nèi)核。它是一個(gè)用C語(yǔ)言寫(xiě)成，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)。本文小編帶你了解一下linux內(nèi)核的中斷及異常處理的基本內(nèi)容。

一、系統(tǒng)調(diào)用 

Linux的每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都是通過(guò)一些宏、一張系統(tǒng)調(diào)用表、一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用入口來(lái)完成。 

(1)宏 

Linux為每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用定義了一個(gè)唯一的編號(hào)，成為系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。通過(guò)宏定義方式定義，例如#define  __NR_setup 0。 

Linux中系統(tǒng)調(diào)用號(hào)一旦分配就不可以再進(jìn)行更改，否則已經(jīng)編譯好的木塊將不能正常使用。即使刪除的系統(tǒng)調(diào)用，也不可以把之前已經(jīng)分配的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)重新分配，刪除的系統(tǒng)調(diào)用有相應(yīng)的空處理。 

(2)系統(tǒng)調(diào)用表 

系統(tǒng)調(diào)用表是一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，跳轉(zhuǎn)時(shí)以系統(tǒng)調(diào)用號(hào)作為數(shù)組下表，找到相應(yīng)的函數(shù)指針。 

(3)系統(tǒng)調(diào)用入口 

系統(tǒng)調(diào)用入口其實(shí)是由系統(tǒng)調(diào)用入口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。功能是將系統(tǒng)調(diào)用號(hào)放入eax寄存器后移用int $0x80使處理器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)用入口，查找系統(tǒng)調(diào)用表，進(jìn)而執(zhí)行內(nèi)核調(diào)用真正的函數(shù)。 

Linux系統(tǒng)調(diào)用實(shí)際是軟中斷。系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中，Linux首先通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)器代碼指令int $0x80產(chǎn)生一個(gè)軟中斷的異常處理信號(hào)，使系統(tǒng)自動(dòng)從用戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。 

二、中斷機(jī)制 

Linux中斷主要分為硬中斷(IRQ)和軟中斷兩類(lèi)。 

IRQ主要分為：短類(lèi)型IRQ和長(zhǎng)類(lèi)型IRQ。短類(lèi)型IRQ需要很短的時(shí)間，在此期間機(jī)器的其他部分被鎖定，而且不能發(fā)生其他中斷被處理。長(zhǎng)類(lèi)型IRQ需要較長(zhǎng)的時(shí)間，期間可能發(fā)生其他中斷。  當(dāng)用戶(hù)程序被來(lái)自外部信號(hào)中斷后，立即保存現(xiàn)場(chǎng)工作，包括保存返回地址和用戶(hù)寄存器等數(shù)據(jù)，然后查找中斷向量表，找出相應(yīng)的中斷處理程序。系統(tǒng)將中斷分為三種：捕俘、系統(tǒng)調(diào)用和外中斷。捕俘：通過(guò)捕俘處理程序入口表查找到用戶(hù)編寫(xiě)的處理程序執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用：軟中斷，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用表找到操作系統(tǒng)核心提供的服務(wù)例程。外中斷：直接調(diào)用核心提供的外中斷處理程序運(yùn)行。 

1、硬中斷過(guò)程 

Linux中，若一個(gè)硬件想向CPU發(fā)送中斷信號(hào)，必須首先獲得一個(gè)可用的“中斷請(qǐng)求線”(即中斷前必須獲得一個(gè)可用的IRQ號(hào))，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)后以電信號(hào)發(fā)送給中斷控制器

(硬件芯片)，接著CPU根據(jù)中斷控制器的狀態(tài)位判定中斷的來(lái)源，獲得中斷號(hào)，根據(jù)中斷號(hào)查找中斷向量表，從表中獲得中斷處理函數(shù)的地址，然后跳轉(zhuǎn)到中斷函數(shù)入口地址處，執(zhí)行這個(gè)函數(shù)。

2、中斷處理程序—硬中斷 

中斷處理程序主要做的工作： 

a. 保護(hù)未被硬件保護(hù)的一些必須的寄存器 b. 識(shí)別各個(gè)中斷源，分析產(chǎn)生中斷的原因 c. 處理發(fā)生的中斷事件 d. 恢復(fù)正常的工作 

Linux規(guī)定中斷處理程序是不可重入的，指的是同一中斷線上不可以再發(fā)生新的中斷，因?yàn)樗械奶幚砥鞫紝⒃袛嗨诘闹袛嗑€已經(jīng)屏蔽。 

Linux中同樣規(guī)定了同一中斷程序不能夠并行，這樣同一個(gè)中斷處理程序不可以被同時(shí)調(diào)用來(lái)處理嵌套的中斷。 Linux中將中斷處理程序分為兩部分：上半部和下半部。  

上半部主要用來(lái)處理那些具有嚴(yán)格時(shí)限要求的任務(wù)。上半部可以看做是一個(gè)用來(lái)“登記中斷”功能的函數(shù)，將中斷例程的下半部掛到下半部執(zhí)行隊(duì)列中。上半部要求執(zhí)行很快，主要是因?yàn)樯习氩客耆帘沃袛嘞聢?zhí)行，即不可中斷。 

下半部主要用于處理那些可以稍后執(zhí)行的任務(wù)。下半部是可中斷的，當(dāng)發(fā)生其他中斷時(shí)，下半部可中斷等待另外一個(gè)中斷的上半部執(zhí)行完畢后再繼續(xù)執(zhí)行。 

3、下半部機(jī)制 

Linux中提供了三種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)下半部機(jī)制。 

(1)軟中斷 

軟中斷是一組靜態(tài)定義的下半部結(jié)構(gòu)，使用數(shù)組來(lái)組織軟中斷結(jié)構(gòu)體，共有32個(gè)。兩個(gè)相同的軟中斷可以同時(shí)執(zhí)行，必須在編譯期間進(jìn)行靜態(tài)注冊(cè)。 

軟中斷機(jī)制一般都保留給系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間要求最嚴(yán)格以及重要的下半部來(lái)使用。Linux2.6中只有兩個(gè)子系統(tǒng)是通過(guò)軟中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的：網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和SCSI。 

(2)tasklet  

tasklet要比軟中斷機(jī)制方便且簡(jiǎn)單，而且它本身也是基于軟中斷實(shí)現(xiàn)，屬于軟中斷，既可以靜態(tài)的創(chuàng)建tasklet，也可以動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建tasklet。  

Linux中tasklet分為兩類(lèi)：HI_SOFTIRQ和TASKLET_IRQ，前者比后者的優(yōu)先級(jí)要高，優(yōu)先調(diào)用前者。在中斷數(shù)組irq_desc[]中會(huì)分配兩項(xiàng)給tasklet，即兩種類(lèi)型各占數(shù)組中一項(xiàng)。兩者分別以一個(gè)鏈表來(lái)組織。 

(3)工作隊(duì)列(work queue)  

工作隊(duì)列與前兩者最大的不同之處是它是唯一一個(gè)能在進(jìn)程上下文中運(yùn)行的下半部機(jī)制，意味著它能允許睡眠。 

工作隊(duì)列的實(shí)質(zhì)是將推后的工作交給一個(gè)內(nèi)核線程來(lái)完成，核心思想即時(shí)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程，Linux中已經(jīng)默認(rèn)提供了一種命名為enents一類(lèi)工作者線程來(lái)實(shí)現(xiàn)工作隊(duì)列。 

4、中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 

Linux內(nèi)核中定義了一個(gè)數(shù)組irq_desc[]數(shù)組來(lái)管理中斷。數(shù)組中的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷源。數(shù)組中的每個(gè)成員都為irq_desc_t結(jié)構(gòu)體，即數(shù)組中的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)著中斷向量表中的一項(xiàng)。 

(1)irq_desc_t結(jié)構(gòu)體 

irq_desc_t結(jié)構(gòu)體用來(lái)描述中斷源。其中結(jié)構(gòu)體中的handler指向hw_interrupt_type結(jié)構(gòu)體的指針，action變量指向由irqaction結(jié)構(gòu)體組成的單向鏈表的頭的指針。 

(2)irqaction結(jié)構(gòu)體 

該結(jié)構(gòu)體中指明內(nèi)核接收到特定IRQ后該才去的動(dòng)作。結(jié)構(gòu)體中變量handler指向中斷處理程序。 

(3)hw_interrupt_type結(jié)構(gòu)體 

用來(lái)描述中斷控制器，是一個(gè)抽象的中斷控制器。

5、中斷上下文 

當(dāng)一個(gè)中斷處理程序正在執(zhí)行時(shí)，內(nèi)核處于中斷上下文中。中斷上下文是不可以睡眠的。與進(jìn)程上下文是不同的，進(jìn)程上下文即使睡眠了也可以重新調(diào)度將其喚醒，中斷上下文不可以被重新調(diào)度。 

中斷處理程序沒(méi)有自己的堆棧，它會(huì)共享被它中斷的那個(gè)進(jìn)程的堆棧，如果沒(méi)有進(jìn)程正在執(zhí)行，則占用idle進(jìn)程的堆棧(每個(gè)處理器都有自己的運(yùn)行隊(duì)列，隊(duì)列中都有idle進(jìn)程，當(dāng)前運(yùn)行隊(duì)列都dequeue時(shí)則運(yùn)行idle進(jìn)程)。